PCB缺陷分析.doc

PCB缺陷分析在製造、包裝、運輸以及組裝過程中，通常會不可避免地產生缺陷。為了減少廢品損失，不僅需要最大限度減少廢板數量，而且應盡可能在最初的生產環節發現有缺陷的PCB板。 在檢查由製造或組裝所造成的印制板缺陷時，你會惊訝地發現，很多印制板報廢的原因僅僅是接地的缺陷。考慮到每塊電路板生產所耗費的時間與精力，就會覺得這樣的報廢十分可惜。 為避免不必要的廢品，就必須了解在製造和組裝PCB過程中會產生的缺陷。製造階段缺陷包括低強度拐角（weak knee）、鍍層空洞（plating void）、阻焊膜對位偏差（resist misalignment）、鑽孔損傷、分層（de-lamination）、樹枝狀結晶組織（dendrite formation）、標記污染、彎角開裂（knee crack）以及內層剝落等。 製造缺陷 低強度拐角，通常出現在錫/鉛塗層的PCB組裝、或電路製造者進行可焊性測試時。焊料整平（leveling）時，開孔邊緣的塗層厚度可能會小於1m，這樣可焊性就會變差。焊接時，焊料在焊盤上就不會爬升流過通孔，而覆蓋管腳。解決此類問題，可以藉由正確調整焊料整平系統，使錫/鉛塗層厚度達到2至5m。 鍍層空洞（圖1）可產生於許多制程階段，但通常大部份產生在化學鍍銅場合。在鍍銅之前，如果發現塗層沒有很好地覆蓋，便會有空洞產生。這類缺陷不藉由破壞性測試很難發現，因為它們對電氣測試不會產生太多影響。空洞的產生也可能是由於不良鑽孔而形成的粗糙表面、不良的擾動在孔中產生氣泡、或者制程過程的雜質污染而引起。 圖1：在組裝工序焊接時，鍍層氣孔逸氣導致焊點產生針氣孔阻焊膜的重疊及對位偏差，通常由於不良的設計造成焊盤周圍沒有足夠空間而引起。建議在使用光致阻焊膜（photo-imaged resist）時，應使阻焊膜開口比焊盤大0.1至0.15mm；如果採用絲網印刷阻焊膜，其範圍為0.3至0.36mm。我推薦不採用1：1的阻焊膜與焊盤設計。 鑽孔應在一個特定的制程流程中完成，而不要在生產過程的多個階段中進行。如果在製造過程中已經用工具鑽孔，而後在組裝過程中重复使用，就有可能造成損傷或影響精度。 在一定濕度及電壓下，測試電路時就會產生樹枝狀結晶。樹枝狀結晶是在電路上施加電壓時接觸之間的銅組織生長，它們由印制板表面的離子雜質在電解作用下形成。雜質可能來自電鍍溶液、回流或整平時沒有從電路表面清洗掉的助焊劑。 標記污染是另一種常見問題，它通常由於不當的電路設計規範引起。絲網印刷，特別是在大板面印刷時，不夠精確。在印刷過程中，絲網具有彈性，因而精度不能保証。設計工程師往往在圖形周圍沒有留下足夠的空間，從而降低了容差水平。 熱應力缺陷 在焊料整平、波峰焊或回流焊的制程中，常出現分層現象，這是由於印制板夾層中的潮氣膨脹而使層間分離所致。 目前，鍍銅通孔拐角處開裂現象並不常見，但你應當了解它。在焊接或整平時，疊層發生膨脹，此膨脹主要發生在Z軸方向，如果銅的韌性不夠，則產生斷裂，這一問題與鍍銅量有關。 另一種由熱應力產生的缺陷是多層印制板內部夾層分離（圖2）。只要鍍銅通孔的附著力不牢固，就會發生這一缺陷。因此，在金屬化之前應確保通孔的清潔，以避免此類問題。 圖2：在清洗工序中，如果作業不當，就會發生內部夾層分離組裝缺陷 由於表面黏著制程現在已成為組裝中的重要部份，因此我們將其作為研究重點。缺陷包括接頭晶體化和開裂、開焊、氣孔（void）、器件抬起、可焊性問題、焊珠及吸錫（wicking）現象。 無引線陶瓷晶片承載LCCC（leadless ceramic chip carrier）封裝的接頭處常有晶體化現象發生。這是一種焊點表面效應，可能是由於焊點部份液態時間過長而表面又無助焊劑引起的。但它不影響焊點品質，僅是一種外觀缺陷。 焊點開裂是由印制板組件的彎曲引起，可能是回流焊後，質控人員在檢測過程中探測焊點而造成的，也可能是轉包商在貨物驗收時造成的。 令人惊訝的是，藉由對焊點進行拉力試驗，發現探針所產生的力竟達到800至1000g。 即使焊接作業是成功的，在組裝過程中也可能發生開焊，它可造成引線與焊盤分離。在製造階段電鍍之前進行適當的清洗，就可避免開焊。 在表面黏著焊點處也會有氣孔，它是由於焊料固化之前易揮發氣體或非金屬材料未除去所致。我們常常在引腳下、彎腳根部和BGA端點處發現氣孔，氣孔的過度發展會減小焊點強度，但不一定會減小其可靠性。 雖然焊膏供應商提供了相應焊接曲線，但生產中還必須對這些曲線進行適當的調整，以避免產生氣孔、改善焊點表面外觀和減少回流焊之後助焊劑的殘留量。 元件移位和抬起（圖3）與焊接制程及印制板設計密切相關。如果一個端子先於另一個端子回流與潤濕，就會產生轉動或立起之類的表面移動。兩個端子的可焊性不同也能造成這種結果。 圖3：由於較厚焊膜造成的零配件抬起，回流焊過程中它就象一個支點把器件從焊盤表面拉起汽相焊比熱風焊（convection）更容易產生位移，這是因為液體在印制板表面的流動而造成。由於被動部件尺寸的減小，元件抬起的可能性便會增加。 潤濕性差的焊盤通常出現在鎳/金和銅PCB中 。相對於錫/鉛鍍層而言，它們是新型鍍層，人們還不十分了解。鍍銅焊盤的可焊性差，一般是因為老化、處理不當、過高的回流溫度，否則，就是所提供的印制板本身可焊性不好。 引線的可焊性差導致潤濕性差。焊膏在回流過程中能潤濕焊盤，但不能沿引腳爬升。這種情形屬於零配件問題，需要與供應商交涉。作為最低要求，引腳上應至少有5m的錫/鉛鍍層，其可焊性才能維持較長時期。 焊球與焊珠 焊珠是指零配件邊緣而非焊點表面的焊料球組織（圖4），應避免與其它許多焊球現象相混淆。 圖4：焊珠通常由焊膏塌落引起，應注意預防這種可能性，以避免焊珠的產生當印制板藉由回流焊爐進入回流焊區時，焊膏變成液體，焊料球凝聚成焊點。在組裝過程中當焊膏進入零配件體下面時，就形成了焊球。一旦焊球在器件下面凝聚，焊料體積增大托起器件，從而使液體焊料逃逸。隨後當零配件回落至印制板時，留下的焊料形成了焊珠。 若要確認何種情形下焊膏會進入器件下面，就需檢查焊膏印刷品質，即回流焊之前拿掉器件，檢查焊膏。當檢查結束時，再讓完整的印制板藉由回流焊，並改變末端區域的溫度以防止焊膏回流。藉由弄清焊膏進入器件下面的原因，我們便能消除這類問題。 如果LCCC封裝存在此類問題，就可能是由貼裝引起。當把器件貼